建造一条从社区到云端的快车道

Littelfuse公司标准与应用首席工程师Phillip Havens, PE撰写

岁月流逝，世界变得越来越“数字化”，个人和商业信息越来越少的以模拟形式存储。数字信息越来越多地存储在“云端”中允许人们从任何地方访问它。 因此，确保快速，可靠和安全地访问此信息比以往任何时候都更加重要。 为了保持竞争力，电话服务提供商需要提供一揽子服务，这些服务可以与曾经只有有线电视公司提供的服务竞争。 换句话说，他们需要能够同时无缝地为客户提供经济高效的语音，数据，视频和互联网连接的工具。

当光纤遇到铜

光纤网络已开始为全国各地的社区带来了高速连接，但为了使电信提供商能够进入客户所在地，他们需要利用他们已有的铜线。 这就需要用到G.fast 技术，它会让客户可以获得类似光纤的接入速度，而电信供应商可以逐步实现光纤部署。 由于更经济地扩大宽带覆盖范围的巨大潜力，一些行业专家预测G.fast 芯片的全球市场将每年增长29亿美元*。

* “全球通用快速芯片市场2016-2021：行业增长、需求和研究报告”。2016年4月20日发布。

图1：光纤到分配点(FTTdp)接入网络解决方案

以下是G.fast 如何使经济的高速连接成为可能：电信公司将光纤安装到远程终端(也称为光纤到节点或FTTN)，然后利用已经存在的铜线基础设施通过社区分配到“最后一英里”的客户所在地。G.fast 技术使用非常宽的频率带宽(高达106 MHz，可能高达212 MHz)向用户提供语音/数据/视频/互联网。 多点FTTN为电信公司提供了一种向客户提供高速数据的更经济的方式。 对于每个新订户，没有必要为社区提供上门服务，用户可以在几分钟内自行安装新的G.fast 调制解调器并将其插入自己的电源系统。

图2：FTTdp G.fast 架构

G.fast 技术(图1和图2)是对FTTdp(光纤到分配点)、多端口FTTdp、FTTC(光纤到终端或机柜)和FTTH(光纤到家庭)的补充，其优点是不像以前的xDSL技术那样限制可用光纤带宽。例如，当VSL 2达到100 Mbps时，达到这个速度需要键合(即使用两对双绞线)和矢量以抵消串音。类似地，ADSL2+的最高速度为10 Mbps，ADSL 2的最大速率为5 Mbps，ADSL限制在1 Mbps。相比之下，G.fast 技术的目标数据速率为1 Gbps，超过100米的单双绞线(24 AWG/0.5毫米)电缆;这项技术的不断改进提供了更快的数据速度的可能性，使得G.fast 的潜力更有希望。Sckipio是G.fast 芯片组技术的先驱，该公司正在进行的研究也开始表明，在提供高达数百兆比特/秒的速度的情况下，距离可达500米。

电路保护和G.fast技术

对于像G.fast这样的高带宽线路，放置在线路上的任何电路保护元件产生的电容都有可能降低信号质量，从而降低其速率和范围(图3)。然而，节点中的G.fast调制解调器和电路不能不受雷电引起的浪涌的影响。虽然客户端设备(CPE)设计人员有三种基本的电路保护选项 - 气体放电管(GDT)，TVS(瞬态电压抑制器)SPA(硅保护阵列)和SIDACtor®保护系统 - 无论他们选择什么，都必须允许他们的设计尽量符合TIA-968B(以前称为FCC Part 68)的浪涌要求。这对于连接到公共交换电话网(PSTN)的美国的任何通信设备都是必需的。其他国家也有类似的要求，如表1所示。一些g.fast供应商可能赞成在美国市场使用符合GR-1089-CORE的更强大的设计。

图3：G.fast的电路保护的社区视图

做出最佳电路保护选择

对于G.fast电路保护应用来说，GDT，TVS SPA和SIDACtor保护晶闸管各有其优点和缺点：

·GDT的优点包括浪涌电流额定值高达20kA，电容额定值低至1pF，偏置电压为0V。 它们通常用于主要保护，因为它们具有高浪涌额定值，但它们对高频分量的低干扰有时使它们成为高速数据链路的可能性。 然而，它们对于G.fast应用也有一些明显的缺点，包括过高的初始电压阈值(这意味着当浪涌超过系统的正常工作电压时，它们可能无法在保护电路所需的足够低的阈值下激活)，GDT性能特征，当安装在黑暗的地方时可能会改变，相对较大的占地面积，电源故障事件期间的热积累问题等。

·TVS SPA是钳位型元件，提供低电压阈值导通值。 然而，由于它们的钳位特性，它们消耗更高的功率水平，因此必须在形体上更大以实现与晶闸管撬杆元件类似的浪涌额定值。 这种形体上更大的硅封装导致更高的关态电容值，这可能与高带宽信号不兼容。

·SIDACtor保护晶闸管是PNPN元件，可以被认为是没有栅极的晶闸管元件。 当超过其峰值关断状态电压(VDRM)时，它会将瞬态电压钳位在器件的开关电压(VS)额定值范围内。 然后，一旦流过它的电流超过其开关电流，它将撬开并模拟短路情况。 当流过它的电流小于其保持电流(IH)时，它将复位并返回其高断态阻抗。 SIDACtor保护晶闸管在此应用中的优势包括快速响应时间，稳定的电气特性，长期可靠性和低电容。 并且，因为它们是撬棍装置，所以它们不会被电压损坏。

区域考虑因素

在美国，电信公司在其网络侧安装的设备的电路保护(例如，在附近的光网络终端(ONT)单元的机柜中)必须符合NEBS(网络) 设备构建系统)设计指南，反过来可能要求符合GR-1089第6版，端口类型3浪涌。 **因为这些是短循环，所以端口类型可以指定为类型3a / 5a。 每个供应商将定义其特定的抗雷电性要求。 对于此类设备，端口类型3是最严重的情况。 有关端口类型的更多信息，请参阅表2。

图4. DSLP偏置系列SIDACtor保护晶闸管结合了过压保护和与高带宽电信协议兼容的容性负载特性，如G.fast。 它们所基于的EpiSCR硅撬棍技术提供了比传统钳位硅技术(如TVS SPA)更好的浪涌能力，并降低了交流电源故障和多次瞬态浪涌或闪电引起现场故障的可能性，同时不影响信号完整性，特别是在高数据速率下。 采用节省空间的SOT23-6封装，具有流通布局，可减少非流通PCB走线连接中常见的阻抗不匹配“短截线效应”。

最新版本的SIDACtor保护晶闸管(图4)旨在保护电信设备在功能上符合GR-1089的高浪涌电平要求，只要它正确位于变压器和DSL驱动器之间的电路中即可。 变压器减弱浪涌。 如果SIDACtor组件与入口点(通常是RJ11连接器)之间有足够的阻抗，也可以放置在变压器的线路侧，例如在这些类型的应用中实现的高通滤波器。

图5. G.fast信号的幅度远低于现有xDSL服务的幅度，因此SIDACtor保护晶闸管元件(此处为Littelfuse DSLPxx0T023G6)的变化电压也非常低。 结果是电容的不可察觉的变化。 当元件处于第三位置时，速率和到达测试表明可接受的损耗小于0.2dB。

用于G.fast应用的保护晶闸管的优点

最新的SIDACtor保护晶闸管设计为电路设计人员开发G.fast硬件提供了多种优势。 当正确地集成到PCB布局中时，它为安装在客户端的G.fast调制解调器和位于光纤网络终端(ONT)单元中的G.fast驱动器提供雷电浪涌保护，光纤终端和信号被转换。 成为模拟信号。 该元件已设计到Sckipio G.fast线路驱动器参考设计中(图5)。 有关该参考设计的更多信息，请参见“G.fast线路驱动器三级过压保护应用简介”。

这种新设计还可用于保护各种电信设备满足GR-1089功能的高浪涌水平要求。 它可以防止信号因其初始的低断态电容而降低(市场上其他产品仅为2.0 pF最大3.0 pF或最大5.0 pF)，并且电容波动的电容变化极小，因此不会产生干扰 具有稳态信号(电容的变化解调DSL信号)。 同时，极低的电容和超低的电容变化可实现G.fast服务的最大速率和覆盖范围。

由于这种新的晶闸管设计提供了各种隔离电压，因此它与G.fast功率谱密度(PSD)限制兼容，但它也可用于与VDSL2向后兼容的G.fast芯片组。 在这些情况下，许多线路驱动器将增加其输出电压范围，以便在它们“回退”到VDSL2模式时满足VDSL2 PSD限制。 这种新设计提供的较高的隔离电压与通常用于VDSL2的较高稳态电压兼容。

SOT-23-6封装有助于降低PCB信号衰减，因为它提供了流通设计，简化了电路板布局过程。 当电路板设计师布置电路板时，该元件允许设计人员保持PCB走线平行，并且无需短截线连接，这两种情况都可能导致线路上的阻抗不匹配。

新的晶闸管设计还提供高浪涌额定值(最小30A)，以便在闪电引起的浪涌下降或跨越尖端和环对时为G.fast调制解调器提供出色的保护。 撬棍型元件看起来像一个短路，将浪涌电流从G.fast线路驱动器转移，防止其受损。 一旦浪涌事件过去，晶闸管就会自动复位，调制解调器继续运行。 大多数其他行业解决方案仅提供15至16安培的浪涌额定值。 新设计的峰值电流浪涌额定值足以满足最严苛的G.fast应用，包括GR-1089第6期建筑物间要求和ITU K20 / 21/45增强型外线建议。

将最先进的撬杆电路保护方案和g.fast技术结合起来，将使访问云端中存储的信息变得更快、更容易，对电信公司及其商业和住宅客户来说也更加可靠。

在设计G.fast设备时，大多数公司都希望设计出符合全球标准的电路。 对于欧洲，亚洲，中东和一些南美国家等国际地区，设备必须符合表1所示建议中列出的基本或增强型浪涌耐受水平。

表1.与G.fast设备设计相关的全球电涌保护标准

·ITU-T K.20“电信中心安装的电信设备对过电压和过电流的抗扰性”

·ITU-T K.21“客户驻地中安装的电信设备对过电压和过电流的抗扰性”

·ITU-T K.45“安装在接入和干线网络中的电信设备对过电压和过电流的抗性”

·YD / T 950-1998(类似于ITU-T K.20)

·YD / T 993-1998(类似于ITU-T K.21)

·YD/T 1082-2000

·IEC 6100-4-5(5级)本标准的最高级别。 (测试和测量技术) - 浪涌抗扰度(雷电浪涌效应)测试第3版)，这在其他欧洲和亚洲国家是必需的。

有关这些标准要求的更多信息，请参阅Littelfuse免费提供的“以太网保护设计指南”

表2.GR-1089包含一级和二级建筑物间和建筑物内防雷试验条件。具体的浪涌情况取决于端口类型。

作者注释

Phillip Havens是Littelfuse的首席工程师 - 标准和应用。 他拥有路易斯安那理工大学的BSEE和MSEE，并且是一名持牌专业工程师。 他代表Littelfuse参与电子安全，电路保护以及电信相关行业协会，如ITU，TIA，ATIS，IEC，IEEE，PEG和UL497 / 60950-1 / 62368-1 STP。 他还帮助定义，指导和支持公司的硅基保护产品线。 可以通过phavens@littelfuse.com与他联系。